基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)

徐慶富

（桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院,廣西 桂林 541004）

1 引言

液體燃料是一種使用很廣泛的能源。燃料的存儲運輸?shù)陌踩珕栴}一直是人們關(guān)注的問題，因此對其進(jìn)行液位的實時測量顯得尤為重要。油罐作為一個特殊環(huán)境，對電子測量要求很苛刻，必須具備很高的防火、防爆等級，普通的電子測量并不滿足這一功能[1]。

目前，大多采用靜壓投入式液位測量，超聲波液位測量等。靜壓投入式測量無法很精確的測量動態(tài)液位，超聲波受幻境影響很大，不具備很好的抗干擾能力[2]。基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)，采用光纖探頭在不同的介質(zhì)中具有不同的反射強度，測量反射光強來檢測液位高度。

2 系統(tǒng)組成

基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)由漫反射式光纖頭、步進(jìn)電機、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成。如圖1所示。

圖1 基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)組成

在測量中，MCU控制捆綁在步進(jìn)電機鏈帶上的光纖頭進(jìn)行向下（或向上）運動。當(dāng)光纖頭到達(dá)液位時，反射光的強度會大幅度降低，MCU通過對步進(jìn)電機步數(shù)的計算來顯示當(dāng)時的液位高度。液位的探測過程就是單片機根據(jù)A/D采集模塊電路采集到的光照強度的不同來判斷液位與光纖探頭相對位置，從而對步進(jìn)電機下達(dá)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的指令。

2.1 漫反射式光纖頭

漫反射式光纖頭具有以下特性：當(dāng)光線在液位上面1cm以內(nèi)時，因為漫反射作用，光照強度會很高，在液位上面1cm以外光強會很??；當(dāng)光纖探頭浸入液體中時，光照強度基本上是一個恒定的值。

2.2 步進(jìn)電機驅(qū)動電路

基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)選用一臺東風(fēng)二相六線0.9度步進(jìn)角的步進(jìn)電機，并了作用直徑10mm的步進(jìn)電機輪軸與專業(yè)的步進(jìn)電機鏈帶，盡可能的減少運動誤差。步進(jìn)電機驅(qū)動采用美國德州儀器公司制作的一款微型電機驅(qū)動集成電路L293D芯片。該芯片工作電壓為4.5V-36V,單通道電流600MA，峰值輸出電流1.2A。

2.3 MCU

基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F051單片機作為主控芯片。該芯片是ARM核的32位微處理器，工作頻率為48MHz，具有高速的嵌入式閃存，并廣泛集成增強型和IO口，所有器件提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（最多2個I2C，2個SPI，1個HDMO CEC 2個USART）1個12 位ADC，1個12位DAC, 最多5個通用16位定時器,1個32位定時器和1個高級控制PWM定時器。以上這些特點使得STM32F051微控制器廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[4]。

STM32F051集成12位ADC，因此直接利用片上ADC，節(jié)省相應(yīng)的硬件資源，同時也減少外部干擾。

2.4 光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換采用光電二極管，光電二極管將光強度轉(zhuǎn)換成光電流，再通過I-V變換電路將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，供ADC進(jìn)行模數(shù)采集。由于光電流較微弱，需要進(jìn)行前置放大。前置放大器采用ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器，該器件是Intersil公司利用動態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放, 它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點[5]。

3 軟件組成

圖2 基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示，MCU對ADC采集回來的信號進(jìn)行判斷，判斷是否到達(dá)液面，如到達(dá)液面立即停止步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)，同時記錄步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運算即可得出液位高度。

4 系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試，基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)的測量范圍在5cm—100cm，測量精度是2mm以內(nèi)，精度較好。測試數(shù)據(jù)如下表所示。

5 結(jié)束語

檢測結(jié)果表明，基于光纖檢測的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)測量精度較高，穩(wěn)定性較好，具有一定抗干擾能力，且操作簡單。具有廣闊的市場前景。

測試數(shù)據(jù)

[1]賈麗,袁小平,陳燁,鄧?yán)?張繼森.常用液位檢測方法的研究[J].能源技術(shù)與管理,2009(01):120-122.

[2]楊朝虹,李煥.新型液位檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工礦自動化,2009(06):61-64.

[4]趙娜,李斌,謝衛(wèi)彬.基于STM32F051控制的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].河北工業(yè)科技,2014(05):441-446.

[5]吳祖國.ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器的原理及應(yīng)用[J].國外電子元器件,2003(04):41-42.